1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 基于 PLC 技术的普通车床数控化系统改造设计 随着世界经济的全面快速发展，我国也正迎着这快速发展的脚步随之赶上。 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求， 数控机床的应用越来越广，并不断 向开放式、基于 PC 的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。 1、开放式 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体 及日本发展开放式数控的计划等。 2、基于 PC 的第六代方向 基于 PC 所具有
2、的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 3、高速化、高效化 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加 工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 90 年代以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加 /减速度直线电
3、机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速 15000 100000r/min）、高速且高加 /减速度的进给运动部件（快移速度 60120m/min，切削进给速度高达 60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控 工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事
4、等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。 4、高精度化 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其 精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（ 10nm），其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发
5、展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。 随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了 满足用户的需要，近 10 多年来，普通级数控机床的加工精度已由10m 提高到 5m ，精密级加工中心的加工精度则从 35m ，提高到 11.5m 。 5、高可靠性 数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率 P(t) 99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间 M
6、TBF 就必须大于 3000 小时。 MTBF 大于 3000 小时，对于由不同数量的数控机 床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为 10： 1 的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的 MTBF 就要大于 33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的 MTBF 就必须大于 10 万小时。 6、智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。 （ 1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态
7、的目的。 （ 2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （ 3）引入故障诊断专家系统 （ 4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行 另外， 数控系统是数控产品的核心技术之一，从 50 年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品，其间三起三落。经过多年来不断的调整、优化、重组、开拓，中国数控产业通过自行 研究、引进合作、独立开发、推进产业化进程，国产数控系统已经取得重大突破。在庆祝
8、建国 50 周年之际，我们可以充满信心地说，中国的数控产业已经渡过了最艰难的时期，开始在产业化的道路上开拓前进。在充满信心的同时，我们更应清醒地认识到，走向新世纪的中国数控产业，尽管获得了新的发展机遇，但面临着更严峻的挑战，需要以更大的勇气、智慧和努力来攀登新的历史性台阶。 1 我国数控产业化的现状 1.1 数控产业的基本情况 我国数控机床生产厂共有 100 多家，其中能批量生产的企业有 42 家 (国有企业 30 家，民营企业 5 家，合资、独资 企业 7 家 )，平均年产量 40 50 台，几家重点企业年产量可达400 700 台；数控系统 (包括主轴和进给驱动单元 )生产企业约 50 家
9、，但生产具有一定批量的企业有 8 家，其中国有企业 3 家，民营企业 2 家，合资、独资企业 3 家；生产数控机床配套产品的企业共计 300 余家，产品 品种包括八大类 2000 种以上。 我国数控系统分为 3 种型级，即经济型、普及型和高级型。这是根据我国当前市场需求的实际情况，按技术应用不同领域和复杂程度进行的阶段性标准来 划分的。 在经济型数控系统中，我们具有很大优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机 床的市场上，国产数控系统是 “ 一花独秀 ”( 其中有 10%左右的是合资企业产品 )。 在普及型数控系统的市场中，我们正在取得进展。进入 90 年代以来，我国数控系统的各方面研究
10、力量在集中优势、突破关键、以我为主、发展产业的原则基础上，逐步形成了以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系统为主的国有企业，以及北京 法那科、西门子数控 (南京 )有限公司等合资企业的基本力量。当然，拥有我国自主版权的数控系统在市场开拓上仍要尽更大的力量。 1.2 技术状况 80 年代以来，国家对数控机床的发展十分重 视，经历了 “ 六五 ” 、 “ 七五 ” 期间的消化吸收引进技术， “ 八五 ” 期间科技攻关开发自主版权数控系统 2 个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。 “ 九五 ” 期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。数控机床新开发
11、品种 300 个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际 80 年代中期水平，部分达到 90 年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。在技术上也取得了突破，如高速主轴制造技术 (12 000 r/min 18 000 r/min)、快速进给 (60 m/min)、快速换刀 (1.5 s)、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机床的发展奠定的基础。 当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。从生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机床研究所等可实现批量生产的产业化基地。 我
12、国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上 (包括核心技术 )，已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统 80 种。自 “ 七五 ” 以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直 对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题， 0.1 m 当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于 PC 机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件
13、开发商二次开发创造了条件。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高， MPBF 值可以在 15 000 h 以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套 率超过 60%。这些成果为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。 2 数控产业发展面临的问题 2.1 缺乏产业规模 在一段时间里，我国数控机床产品品种相对较少，开发和交货周期较长，由于没有按市场需求进行开发，批量不大，不能满足市场需求，市场占有率较低；质量不稳定 (可靠性是突出的质量症结 )，性能水平与国外相对有一定差距，竞争力不强；软件开发投入不足，开发的数控系 。 2.2 缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系 40 多年
14、来，我国政府对数控机床的发展给予了大量的财力和物力支持，在政策上也陆续出台了 一些支持措施，对数控机床的发展起了很好的促进作用。 但在政策的配套及相互制约方面力度不够，在引进外资和扩大开放的同时，对国产数控机床的必要保护显得过于单薄。例如，进口产品可以免除关税和进口环节税，而国内产品却很少能享受这种待遇。同时，数控机床的发展需要较高的零部件专业化技术配套体系来支承，而我国工业发展的总体水平尚不能满足这种体系的建立，国家对这种配套体系的建立没有大举措出台，也缺少相应的政策支持，因而未能对数控产业的发展起到更有力的推动作用。 2.3 缺乏技术创新、产品更新和产业调整的内在动力 1994 年，机床工
15、具工业总产值 (1990 年不变价 )达到 176 亿元，销售收入达到 200 亿元，机床总产量创记录地达到 26 万台。普通机床、一般量刃具等的比例高达 93%以上，但数控机床、专用机床及各种自动线所占比例却很小。在当时过热的经济增长刺激下，各类产品均出现供不应求的现象。 在普通机床销售势头良好的形势下，机床工具行业被市场假像所迷惑，大部分企业顾及眼前利益，没有及时依靠壮大起来的财力进行调整，而是一味加大普通机床产量，放弃了已开始进行的产业调整、产品调整、组织结构调整，放松了技术创新，看不到产业的发展趋势，从而错过 了调整的最佳时机，丧失了更进一步发展的技术基础和产品基础。 2.4 面临国外
16、强手竞争的巨大压力 进入 90 年代以来，我国国内市场对数控机床和数控系统迅速增长，成为工业发达国家竞相争夺的目标。面对强手如林的国际竞争对手，国内数控机床和数控系统无论是性能、质量，还是价格都难以与发达国家产品相抗衡，面临着进口冲击的强大压力。 3 我国数控产业发展的条件 3.1 稳定增长的市场需求 我国数控机床 80 年代以来有了迅速发展，平均年产量增长 20%以上；数控机床市场消费量从 1990年的 2588台增长至 1996年的 18 000台；目前已是世界数控机床第三进口大国。进入 90 年代以来，我国数控机床生产企业都经历了结构调整、转变机制的艰苦磨砺过程。由于市场结构的变化，使得
17、 1997 年数控机床市场消费量下降到 14 329 台。同时由于进口减少，国产数控机床市场占有率上升到 45.9%； 1998 年数控机床市场消费量下降到 11 528 台，国产数控机床市场占有率达到 53%。 1994 1998 年，我国机床工具行业的产值持续滑坡，由于市场变化和结构调整，市场容量减少到原来的 75%，总产值为 149.6 亿元，其中金属加工机床约为 90 多亿元，市场占有 率达到 47%，机床 (金切和锻压 )总产量只有 10 万台，而在 10万台机床的销售额中，数控机床自动化生产线及各种先进量刃具达到 27.7%。正是由于结构的变化，才有可能形成产量下降、市场占有率提高
18、的局面。 近期，国家为扩大内需，通过加大技改投资和基础设施建设投资的措施来拉动国内市场消费。正在执行中的 “ 国家财政技改专项 ” 和 “ 高新技术产业化项目 ” ，都将形成对数控机床新的市场需求。这将为我国数控产业发展带来新的市场机遇。 3.2 现有的发展条件 (1)目前我国主要数控机床生产企业年产能力为 10 000 台，其中经济型数控 机床为 5 000 台以上。到 “ 九五 ” 末期，数控机床生产达到 15 000 台。 (2)到 “ 九五 ” 末期，我国数控系统生产能力为 15 000 套，其中经济型数控系统约为 6 500 套。 (3)我国主要数控机床配套企业已初具规模，其中，机床
19、数控刀架、滚珠丝杆、滚动导轨、机床电器都引进了技术，能为主机配套。 (4)我国主要数控机床生产厂通过 “ 八五 ” 和 “ 九五 ” 期间的技术改造，数控机床生产能力有了很大提高，进口了一批关键加工设备，提高了关键件的加工质量和效率，新建了一批装配调试厂房，改善了数控机床制造的装备条件，基本具备 了产业化生产能力。 4 发展思路与发展战略 机床工具行业下一步发展的总体思路是 “ 限普压产，发展数控 ” ，即对普通机床通过法律和行政法规限制其发展，不断减少其产量，通过大力发展市场急需的数控机床等产品替代普通机床。 客观地审视我国数控系统当前的形势，结合我国当前宏观经济运行的环境和条件，正确分析行
20、业特点和产业特性，采取正确的方针和措施，是我国数控系统产业进一步发展的基础。 4.1 以发展普及型数控系统为重点，全面推进产业发展 普及型数控机床是我国市场需求的主体，也是数控机床产业结构优化的调整基础，在相当一段时 间内，必须全力发展普及型数控系统，形成批量，形成规模，形成效益，以促进国产数控机床主机的发展与进步。当前要特别注重对数控系统技术路线的进一步分析和研究，注重跟踪国内外计算机技术和总线技术的发展趋势，以及上述技术与数控技术的融合与渗透，用普及型数控系统的发展带动经济型数控系统的技术升级和高级型数控系统成本的下降。发展普及型数控系统，当前的首要任务就是要开拓市场，而开拓市场的前提就是
21、要保证系统的高可靠性和良好的服务。 下一步要建立和发展数控系统开放式的软硬件平台，制定相应的技术规范、标准和接口，形成数控系统系列 化的 OEM 产品 ，形成产业化规模。 4.2 以国有数控系统企业为主体，全面推进结构调整 当前，我国数控系统的生产已经形成了立足于大行业的、以国有数控生产企业为主体的基本力量。从开发力量、装备力量、资金力量三方面分析，这种格局短时期内不会改变，也不可能改变。从着眼于改革开放的大环境和国家长远发展看，对民营企业和合资企业应一视同仁，鼓励和支持它们向有利于我国数控产业的方向发展，这对于我国数控系统产业在机制上和体制上的调整和进步将是有利的。 4.3 以为新机床配套为
22、重点，全面推进占有国产市场 我国数控系统虽然取得了重大成 就，但在市场占有率上仍有很大差距。在前一段时间里，国产数控系统以旧机床改造为重点，在许多领域进行了大量的工作，取得了显著成就，今后仍然要支持这方面工作。当前，为扩大市场容量和形成产业规模，必须加大为新机床配套的比重。数控系统生产厂要不断开发新产品，全面地提高质量；要全面地向重点骨干机床生产企业进军，要了解他们的需求，改进自己的产品，热心为他们服务；要全面提高国产数控系统的信誉，争取主机厂和最终用户的支持。这是一项艰巨的工作，必须坚定地持之以恒地坚持开展下去，这关系到国产数控的发展和进步，我们必须要有充分的思 想准备。 而 普通车床 相对
23、于数控车床 ，在精度、效率、合格率等方面 都显劣势 。 精度优势 普通车床靠齿轮和普通丝杠螺母传动。由于各运动副间存在间隙，加上手工操作不准确，因此重复精度较低。普通车床测量时需停车后手工测量，测量误差较大。 数控车床靠驱动电机带动滚珠丝杠传动。滚珠丝杠经过预拉伸安装后有过盈量，传动无间隙，精度主要靠机床本身和程序保证。在加工过程中可以通过编码器进行位置测量，可以补偿刀具磨损及其他原因产生的误差。所以加工质量好，精度稳定。 批量生产效率优势 一台普通车床需要一个熟练的操作工人。由于使用 手动三爪卡盘，并且测量时必须停车后手工测量，加工效率低下。 在批量生产、使用液压卡盘或弹簧夹头夹紧工件的前提
24、下，一个不懂任何技术的工人可以至少同时操作两台数控车床。生产效率是使用普通车床的 4 倍以上。 合格率优势 普通车床由于是手工操作，人为影响非常大，一旦操作工的身体情况不佳或者思想不集中，产品废品率会急剧上升。 数控车床基本靠设备来保证加工精度，操作工基本只起到装卸工件和开关的作用，人为影响很少，所以产品合格率比较高。 劳动力资源优势 普通车床需要熟练操作工人，目前月工资水平是 3000 元。 数控车床任 何成年人都可以操作，目前月工资水平是 2000 元。 所以，综上所诉，必须采用改造之路。 当今市场上数控系统的种类较多，选择前首先要对将要进行改造的数控机床自身功能有一个较充分的认识，可以根
25、据价格、技术、服务等方面选择数控操作系统。在控制机械生产的过程中应运用 PLC数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器。 PLC是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计。由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制，故称其为可编程逻辑控制器。 PLC己成为数控机床不可缺少的控制装置。操作 系统和 PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。 “PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的 数字 运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控
26、制各种类型的机械或生产过程。 PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ” 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC 由于采用现代 大规模集成电路 技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU的 PLC的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机 外电路 来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检
27、测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件 的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。 PLC 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。 PLC 有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的
28、数据运算 能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、 CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 PLC 的发展技术也呈现新的动向： 1：产品规模向大、小两个方向发展 大： I/O 点数达14336 点、 32 位为微处理器、多 CPU 并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。 小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。 2： PLC 在闭环过程控制中应用日益广泛 3：不断加强通讯功能 4： .新器件和模块不断推出 高档的 PL
29、C 除了主要采用 CPU 以提高处理速度外，还有带处理器的 EPROM 或 RAM 的智能 I/O 模块、高速计数模块、远程 I/O 模块等专用化模块。 5：编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化 有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的 PLC 指令系统 6：发展容错技术 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 7：追求软硬件的标准化。 相信在不久的将来 PLC 会发挥越来越重要的作用。 参考文献 1陈洪涛主编 .数控加工工艺与编程 .北京 ：高等教育出版社， 2003.9 2刘跃南主编 .机床计算机数控及其应用 .北京：机械工业出
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